環氧樹脂水乳液固砂性能研究

趙修太，李 宏，王春彥

(1.中國石油大學(華東)，山東 青島 266580; 2.中油大港油田分公司，天津 大港 300280)

環氧樹脂水乳液固砂性能研究

趙修太1，李 宏1，王春彥2

(1.中國石油大學(華東)，山東 青島 266580; 2.中油大港油田分公司，天津 大港 300280)

為了改善化學防砂技術在應用過程中的效果，開展了環氧樹脂乳液固砂性能研究。以環氧樹脂、自制乳化劑為原料，采用相反轉法，合成了具有較低黏度的環氧樹脂水乳液。通過室內模擬固砂實驗發現，采用環氧樹脂乳液固砂，固結的巖心強度高、滲透性好，抗壓強度可達5 MPa，且具有良好的耐油、耐水性能。

環氧樹脂乳液;乳化;相反轉法;固砂性能;化學防砂;孤東油田

引言

目前，防砂工藝主要有機械防砂與化學防砂2大類［1］。機械防砂應用較多，效果也較好，但工藝較為復雜，容易發生復雜事故［2－3］。化學防砂主要使用各類樹脂固砂，如酚醛樹脂［4］、脲醛樹脂［5］、環氧樹脂以及改性呋喃樹脂等，可以將地層松散的砂子固結，從根本上解決出砂問題。由于這些樹脂分子質量大，黏度高，在固結地層砂時流體的流動性較差，容易堵塞地層［6］。孤東油田水平井防砂主要采用機械防砂，二次防砂形勢嚴峻，急需開發適用于水平井的化學防砂新技術新工藝。針對化學防砂過程中存在的問題，開展了樹脂乳化的研究，將流動性差、黏稠的環氧樹脂乳化成分散性好、黏度低的水乳液，該類乳液已廣泛應用于建筑、涂料等領域［7］。本文以附著力高、穩定性好的環氧樹脂為研究對象，對其乳化及固砂性能進行考察。

1 室內實驗

1.1 實驗藥品

環氧樹脂E－44、固化劑WSP，均為工業品;十二烷基苯磺酸鈉(ABS)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、吐溫80、吐溫60，均為化學純;乳化劑SE，自制。

1.2 實驗儀器

Zetasizer3000電位－粒度儀，NDJ－1B旋轉黏度計，JHR巖心流動實驗裝置，萬能材料實驗機，電熱恒溫水浴鍋，循環水式多用真空泵，高速攪拌機，多功能攪拌器，玻璃填砂管等。

1.3 乳液的合成

改性樹脂乳化過程多采用相反轉乳化技術。相反轉原指小分子乳液體系在一定條件下，其連續相由油相變為水相(反之亦然)的過程。體系從油包水(W/O)轉變為水包油(O/W)的時刻稱為相反轉點。相反轉點時，體系的黏度、電導率等性質會發生突變。利用這一過程來制備高分子水乳液的方法稱為相反轉乳化法。采用該方法制備的高分子乳液膠粒粒徑小、穩定性好［8］。

環氧樹脂的乳化采用相反轉法，將樹脂與乳化劑按一定的質量比加入到帶攪拌裝置的三口燒瓶中，乳化溫度為70℃，攪拌速度為600 r/min，邊攪拌邊以1 mL/min的速度滴加蒸餾水，直到乳狀液體系的連續相由油相轉變為水相即可。

1.4 乳液固砂性能評價

在玻璃填砂管 (?25 mm×150 mm)中裝入一定目數 (40～60目)的石英砂，兩端用帶孔的膠塞封口。用真空泵抽真空，飽和模擬地層水，然后注入1 PV的乳液，再注入1 PV不同濃度的固化劑，封口后放入60℃恒溫水浴。固化48 h后，將填砂管從恒溫水浴中取出，冷卻至室溫，輕輕將玻璃管敲碎，取出固結好的巖心，測其抗壓強度與滲透率。

2 結果與討論

2.1 乳化劑確定

(1)乳化劑的篩選。通過調研，初步選定了幾種環氧樹脂乳化劑:吐溫80、吐溫60、十二烷基硫酸鈉(SDS)、十二烷基苯磺酸鈉(ABS)、自制乳化劑。

表1 不同種類乳化劑對環氧樹脂的乳化情況

取環氧樹脂10 g，乳化劑均為樹脂用量的15%，去離子水20 mL，采用相反轉法制備乳液，考察不同乳化劑對環氧樹脂的乳化性能，將合成的乳液靜置24 h觀察乳化情況，結果見表1。可見，自制乳化劑的乳化效果是最好的，靜置24 h后未出現分層現象，因此乳化劑最終確定為自制乳化劑。

(2)自制乳化劑用量的確定。乳化劑用量的多少直接影響乳液的穩定性，因此，將合成的乳液靜置24 h觀察乳化情況，考察不同乳化劑SE用量對乳液穩定性的影響，結果見表2。可以看出，當自制乳化劑用量為樹脂用量的15%時，制得的乳液穩定。其原因是因為當乳化劑濃度較低時，在增加水含量過程中沒有足夠多的乳化劑分子包覆水滴形成保護性界面膜，于是水滴會在剪切作用下相互碰撞形成具有較大尺寸的水滴，當發生相反轉時較小的水滴來不及融合為連續相就被固定于環氧樹脂分散相中，形成W/O/W型乳液，稱之為不完全相反，這樣制得的乳液分散相微粒尺寸較大，穩定性也較差。因此，乳化劑的用量確定為樹脂用量的15%。

表2 不同乳化劑SE用量對環氧樹脂的乳化情況

2.2 乳液物性

(1)乳液粒徑分布。將合成的乳液放在生物顯微鏡下觀察其形態，并通過電位－粒度儀測定乳液中粒子的粒徑分布，圖1為環氧樹脂乳液微觀圖像。可以觀察到，乳液分散均勻，粒子呈規則的球狀，且具有較小的幾何尺寸(粒子粒徑約為300 nm，分布較窄)，從而具有較高的乳液穩定性。

圖1 環氧樹脂乳液微觀圖像

(2)乳液稀釋特性。將合成的乳液按一定的比例進行稀釋，采用NDJ－1B旋轉黏度計在室溫(20℃)下測其黏度。實驗結果顯示，合成的乳液本身具有較低的黏度，為25.3 mPa·s;隨著稀釋濃度的降低，乳液的黏度也迅速降低，當濃度降到50%以下時，黏度小于5 mPa·s。合成乳液的稀釋特性符合Sibree研究得出的反映乳狀液黏度與內相濃度的關系式［9］:

式中:η為乳狀液黏度，mPa·s;η0為外相黏度，mPa·s;φ為內相的體積分數;h是常數。

2.3 乳液固砂實驗

2.3.1 乳液濃度對固砂性能的影響

不同濃度的乳液中樹脂含量不同，因此選用不同濃度的乳液用于固砂，考察乳液濃度對固砂性能的影響。選固化劑濃度為10%，實驗結果見圖2。可以看出，隨著乳液濃度的增加，固砂強度逐漸增強，滲透率有所減小。當乳液濃度達到50%時，樹脂有效含量為16.7%，固結巖心的強度可達到5 MPa，可見選用乳液固砂，可以獲得滲透性好、強度高的固結體。

圖2 乳液濃度對固砂性能影響

2.3.2 固化劑WSP濃度對固砂性能的影響

在乳液濃度為50%條件下，改變注入的固化劑WSP濃度，考察固化劑濃度對固砂性能的影響，實驗結果見圖3。可以看出，隨著固化劑濃度的提高，巖心試樣抗壓強度逐漸增大，而滲透性明顯降低。這是由于隨著固化劑濃度的增加，固化劑與樹脂的膠結點增多，形成更穩定的網絡結構，從而使巖心的強度增加。同時過多的固化劑會在砂粒間孔隙中滯留形成一定堵塞，從而導致滲透率降低。

圖3 固化劑濃度對固砂性能影響

2.3.3 介質對固砂性能的影響

巖心的耐介質穩定性關系到油井防砂后有效期的長短及今后能否進行酸化等措施作業，因此巖心的耐介質穩定性也很重要［10］。將制作好的巖心試樣浸入到不同的介質中，在密閉的條件下恒溫放置3 d，考察巖心試樣的耐介質性。結果表明，巖心試樣耐酸不耐堿，在堿中浸泡后強度變得很低，在酸中抗壓強度稍有降低，這是由于選用的固化劑耐堿性差，遇堿會破壞樹脂固結后的網狀結構。而在水中和油中，巖心試樣的抗壓強度基本不變，說明該固結體對油、水有較好的耐受性。

2.4 現場應用

2010年在勝利油田HLKD52P1井進行了防砂作業，該井之前主要的防砂方式為濾砂管防砂，正擠環氧固砂體系，注入順序為:清洗液+前置段塞(40 kg促凝劑+80 kg增強劑)+固砂體系+后置段塞(3%促凝劑)，關井候凝3 d，防砂效果較好，出砂速度為4 800 mL/h時，出砂率小于0.5%。

3 結論與認識

(1)實驗室條件下，采用相反轉法合成的環氧樹脂乳液粒徑小、分散均勻，具有較高的穩定性。

(2)環氧樹脂乳液相比溶劑型環氧樹脂有明顯的優勢:以水作為分散介質，不含有機溶劑或揮發性有機化合物含量較低，無環境污染，操作性能優越，施工工具可用水直接清洗，操作安全、方便。

(3)環氧樹脂乳液固砂實驗表明，乳液所固結巖心強度高，滲透性好，抗壓強度可達5MPa，并且具有較好的耐油、耐水性能。

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［6］劉祥，等.帶有環氧基的聚丙烯酸酯乳液合成及固砂性能研究［J］.鉆采工藝，2006，29(2):81－84.

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編輯 王 昱

TE358

A

1006－6535(2012)04－0111－03

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.04.028

20111106;改回日期:20120220

國家重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”(2008ZX05002)部分內容

趙修太(1958－)，男，教授，1982年畢業于華東石油學院有機化工專業，1999年畢業于華中理工大學應用化學專業，獲碩士學位，現主要從事油田化學及精細化工方面的教學及研究。